微米和纳米

【科研资讯】贵金属/氧化锌纳米复合物的可控制及催化性能研究

与体相材料相比,贵金属纳米粒子由于其量子尺寸效应和表面效应而表现出新颖和独特的光、电、磁和催化等性能。在这些贵金属纳米粒子中以钯(Pd)的催化研究最为广泛。例如在Pd纳米粒子的催化下,有机硼化合物与有机卤素化合物的偶联反应,称之为Suzuki偶联反应。Suzuki偶联反应在有机合成中的用途很广,具有较强的底物适应性及官能团容忍性,常用于合成多烯烃、苯乙烯和联苯的衍生物,从而应用于众多天然产物、药物分子和有机材料的合成中。此外,钯纳米晶对硝基苯的还原也具有优异的催化效果。众所周知硝基苯是一种对环境有污染,对人体有毒的一种物质,而它的还原产物氨基苯却是一种有用的添加剂,它们不仅广泛用于显影剂、防腐剂、染发试剂当中,而且还是制备一些止痛和退热药物的重要媒介,例如扑热息痛、退热冰和非那西汀等。以上两种反应的研究已经成为基础研究和工业应用的重要领域。然而,单独使用贵金属纳米晶作为催化剂时,一方面价格比较昂贵,不利于生产成本的降低;另一方面纳米晶具有大的表面能,在使用过程中很容易自聚成大的粒子,导致催化剂的活性大大降低,从而不利于催化剂的回收再利用。因此,找到一种简单有效的方法来制备催化性能高、稳定性好、可回收、价格低廉的贵金属基催化剂,对化工、制药和环境等领域都具有较大的意义。

沈阳药科大学药学院物理化学教研室包志红讲师和中国科学院金属研究所孙振华副研究员合作,通过简单的水热合成方法制备出贵金属/氧化锌纳米复合材料(Pd/ZnO,Pt/ZnO),通过反应条件的改变实现了复合物结构的可控变化(图1)。通过对Suzuki偶联反应(图2)和对硝基苯酚的还原反应(图3)的研究,发现Pd/ZnO纳米复合材料不仅大大降低了催化剂的成本,而且利用Pd和ZnO之间的协同效应,确实改善了Pd的催化活性,与此同时也克服了Pd纳米晶作为催化剂易于团聚的缺点,经过多次循环之后催化剂依然保持较好的催化活性。相关结果以全文的形式发表在近期出版的《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》杂志(IF=7.145,One-Pot Synthesis of Noble Metal/Zinc Oxide Composites with Controllable Morphology and High Catalytic Performance,2017,9,16417- 16425)。

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图1.贵金属/氧化锌纳米复合材料的制备示意图

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图2.(a)Suzuki偶联反应,(b)钯/氧化锌纳米复合材料对Suzuki偶联反应的催化产率和循环性能

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图3.(a)硝基苯酚还原反应,(b-d)钯/氧化锌纳米复合材料对硝基苯酚还原反应的催化效率和循环性能

贵金属和氧化物载体的结合是一种降低贵金属催化剂成本,改善纳米催化剂在化学反应中稳定性的有效方法。本研究采用简单的一步水热合成方法制备出Pd/ZnO和Pt/ZnO纳米复合材料,通过反应pH的调控可以获得不同形貌的纳米结构。此纳米复合材料与以往报道的负载型Pd基催化剂相比具有以下几方面的优势和特点:1)对于Suzuki偶联反应,与Pd/C,Pd/Fe3O4纳米催化剂相比,本研究合成的Pd/ZnO具有更高的催化活性,并且在偶联反应中使用乙醇和水作为溶剂,反应条件对环境和人体的健康友好。2)对于对硝基苯酚的还原反应,与已报道的Pd/SBA-15, PdAu/graphene相比,Pd/ZnO纳米催化剂的催化活性也比较高。3)更为重要的,以往报道的负载型Pd纳米催化剂的合成过程比较复杂,需要多步反应才能实现,而本研究采用简单的一步合成即可实现Pd纳米复合材料的制备。综上所述,本研究为实现Pd纳米复合材料催化剂的真正工业化应用奠定了基础。

来源:科研处

编辑:王凤辉

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